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垂直接地極對(duì)接地系統(tǒng)電氣性能的影響 發(fā)變電站良好的接地是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的根本保證。隨著電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的不斷提高和系統(tǒng)容量的不斷增大,接地故障電流和發(fā)變電站接地網(wǎng)的面積也不斷增大,生產(chǎn)運(yùn)行部門對(duì)于降低地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓,保障電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行的呼聲越來(lái)越高。要確保人身和設(shè)備的安全,維護(hù)電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行,需要改變僅強(qiáng)調(diào)降低接地電阻的傳統(tǒng)觀念,樹立主要考慮地面接觸電壓和跨步電壓所帶來(lái)的危害這一新概念。 在土壤電阻率較低,接地網(wǎng)面積限制相對(duì)寬松的地區(qū),降低接地電阻、接觸電壓及跨步電壓并不是特別困難。但是,許多山區(qū)或周邊環(huán)境比較惡劣的變電站所處位置的土壤電阻率比較大;某些建在城市中的變電站接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)則受到面積限制。如何在這些土壤電阻率高、接地網(wǎng)水平擴(kuò)張?jiān)６扔邢薜牡貐^(qū),使變電站地網(wǎng)設(shè)計(jì)能夠確保設(shè)備及人身安全則是許多人都關(guān)心的問(wèn)題。針對(duì)工程實(shí)際中的具體問(wèn)題,把設(shè)計(jì)思路僅僅局限于水平地網(wǎng)顯然是不合適的,將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是設(shè)計(jì)的必然思路。實(shí)踐也證明,增設(shè)垂直接地極對(duì)于降低地網(wǎng)接地電阻、接觸電壓和跨步電壓是一種行之有效的方法。 本文的目的是采用數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)分析垂直接地極對(duì)接地系統(tǒng)電氣性能的影響,分析采用從加拿大引進(jìn)的CDEGS軟件包。垂直接地極降低接地電阻的作用以均勻土壤為例,討論垂直極對(duì)于降低地網(wǎng)接地電阻的作用。假設(shè)水平地網(wǎng)面積為150m150m,網(wǎng)格間距取15m,土壤電阻率為200Ω.m,水平導(dǎo)體半徑r1=0.011m,垂直極長(zhǎng)度L=50m。先分析在已有水平地網(wǎng)基礎(chǔ)上增設(shè)垂直極,考慮垂直極根數(shù)N變化對(duì)接地電阻R的影響。 為了減小水平地網(wǎng)對(duì)垂直接地極的屏蔽作用,垂直接地極一般布置在水平地網(wǎng)的外圍,與外圍接地導(dǎo)體相連。其中虛線為垂直極計(jì)算半徑r2取3.5m時(shí)的接地電阻,用于模擬采用爆破接地技術(shù)施工的垂直接地極,實(shí)線為垂直接地極的半徑r2取0.025m時(shí)的接地電阻,用于模擬常規(guī)尺寸的普通垂直接地極。 垂直極根數(shù)變化對(duì)地網(wǎng)接地電阻的影響:其它條件不變,接地系統(tǒng)的接地電阻R隨垂直極根數(shù)N的增加而降低,當(dāng)布置的垂直接地極根數(shù)達(dá)到一定數(shù)量時(shí),接地電阻R的減小趨于飽和,其主要原因是垂直接地極間距減小后,相互之間屏蔽作用增強(qiáng)的緣故。另外,垂直極顯然對(duì)水平網(wǎng)散流有抑制作用。即添加垂直極后接地系統(tǒng)總的接地電阻并不是垂直極與水平網(wǎng)的接地電阻的簡(jiǎn)單并聯(lián),而是存在一個(gè)屏蔽系數(shù),垂直極的根數(shù)越多,屏蔽系數(shù)越大。垂直極半徑取3.5m時(shí)的降阻效果明顯比半徑取0.025m時(shí)要強(qiáng)。 垂直極半徑取3.5m是考慮到爆破制裂之后的效果。因此可以看出,采用爆破接地技術(shù)對(duì)垂直接地極進(jìn)行施工,增大垂直接地極的半徑,能更有效地降低接地系統(tǒng)的接地電阻。垂直極對(duì)接觸電壓和跨步電壓的影響。增設(shè)垂直極對(duì)于降低地表面的最大接觸電壓和跨步電壓也具有較大的影響。水平網(wǎng)同上節(jié)討論的情況相同,垂直極計(jì)算半徑取0.025m。 增設(shè)垂直接地極對(duì)于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用,當(dāng)垂直極為12根時(shí),接觸電壓就可降低約40%;當(dāng)垂直極為32根時(shí),接觸電壓可降低63.49%。而降低接觸電壓正是電力系統(tǒng)接地安全設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)之一。 增設(shè)垂直極對(duì)于降低接觸電壓的原因主要有兩點(diǎn):一是垂直極的引入,降低了地電位升(GPR),而接觸電壓及跨步電壓均與GPR有著直接的關(guān)系。二是因?yàn)樵鲈O(shè)垂直極后,大部分故障電流通過(guò)垂直極流入大地,相應(yīng)減少了水平導(dǎo)體的散流量,因此地表面的水平方向電流密度大大減少,造成水平方向電場(chǎng)強(qiáng)度大大降低。例如在垂直極為12根時(shí),水平網(wǎng)流散的電流為25%左右,而垂直極流散的電流大約為75%。而在土壤不均勻,特別是上層土壤電阻率明顯大于下層土壤電阻率時(shí),這一趨勢(shì)更加明顯,垂直極中流散的電流可達(dá)到總電流的90%。因此在地面上引起的接觸電壓和跨步電壓也會(huì)相應(yīng)有較大幅度的降低。 垂直極對(duì)消除季節(jié)因素影響的作用一般情況下,多孔含水巖石的電阻率可由以下經(jīng)驗(yàn)公式[4]求得:ρ=ρ0f-mS-n,(1)式中:ρ0為填充于巖石孔隙中水的電阻率;f為孔隙度(孔隙體積與總體積的比值);S為填充了水的孔隙空間與總孔隙空間的比值;約有30%以上的孔隙空間為水填滿時(shí),n值接近于2;m值取決于巖石的固化程度或地質(zhì)年代,對(duì)松散的沉積巖m為1.3左右,對(duì)良好固結(jié)的古生代沉積巖m為1.95左右。 由上可以看出巖石的電阻率主要取決于它的含水量和水的電阻率。由于土壤的導(dǎo)電具有離子導(dǎo)電性能,因此其電阻率通常是隨著溫度的降低而增加。與沙混合的粘土含水量15%時(shí),在0℃以上電阻率變化較緩,0℃時(shí)電阻率有一突變過(guò)程,而溫度在0℃以下時(shí)電阻率隨溫度的下降而急劇上升。隨著季節(jié)的變化,土壤溫度與土壤中的水分含量都將有很大的變化,因此在常規(guī)地網(wǎng)設(shè)計(jì)中,考慮到變電站所處的緯度及周邊環(huán)境不同,對(duì)于接地電阻都要乘一季節(jié)系數(shù),視水平接地體埋深不同,取值不同。 在水平地網(wǎng)基礎(chǔ)上添加長(zhǎng)垂直接地體以后,季節(jié)變化對(duì)于接地電阻的影響明顯減小。這主要是因?yàn)榧竟?jié)變化影響的土壤范圍在地表附近,對(duì)于深層幾乎沒(méi)有影響?；谝陨峡紤],以下面的模擬分析來(lái)探討垂直接地極對(duì)于降低季節(jié)系數(shù)的作用。假設(shè)地網(wǎng)面積為150m150m,網(wǎng)格間距為15m,土壤電阻率ρ2=200Ω.m,水平導(dǎo)體半徑r1=0.011m,埋深為0.8m;垂直極長(zhǎng)度L=50m,半徑r2=0.02m。假設(shè)表層由于冬季冰凍作用導(dǎo)致電阻率增加的土壤深度h為1.0m,當(dāng)其電阻率隨季節(jié)變化時(shí),接地電阻隨季節(jié)變化的曲線如圖4所示,其中實(shí)線是沒(méi)有垂直接地極時(shí)的接地電阻,虛線是增設(shè)8根半徑為r2=0.025m的垂直極后的接地電阻,點(diǎn)線是增設(shè)8根半徑r2=3.5m的垂直極后的接地電阻。 沒(méi)有垂直接地極的接地電阻R1隨著上層土壤電阻率的增大而增大。取上層土壤電阻率為50～800Ω.m這一常見范圍,僅僅表層1m深土壤的電阻率的變化就可以導(dǎo)致接地電阻從0.55Ω增加到0.8Ω,增幅達(dá)45%。而當(dāng)增設(shè)8根深度為50m的垂直接地極以后,如上節(jié)討論結(jié)果,由于相當(dāng)一部分故障電流經(jīng)由垂直極流入大地,因此,接地系統(tǒng)接地電阻受上層土壤電阻率變化的影響將會(huì)顯著變小。采用半徑為0.025m的鋼管,接地電阻在同樣的土壤電阻率變化情況下,僅從0.5Ω增大到0.575Ω。尤其是采用爆破接地技術(shù)進(jìn)行垂直接地極的施工后(計(jì)算半徑取3.5m),接地電阻基本上不受季節(jié)變化因素的影響,從而大大提高了接地系統(tǒng)的安全性。 上面討論的是下層土壤電阻率固定為200Ω.m時(shí)的情況,當(dāng)下層電阻率與上層電阻率的比值不同時(shí),情況會(huì)有所不同。一個(gè)基本的原則是:上層電阻率變化對(duì)于整個(gè)接地電阻變化的影響取決于水平網(wǎng)與垂直接地極之間的泄漏電流分配情況。當(dāng)下層電阻率相對(duì)較大,泄漏電流分配比例較小,季節(jié)系數(shù)就較大;反之,季節(jié)系數(shù)就較小。 結(jié)論： 1)將接地系統(tǒng)向縱深方向發(fā)展是提高高土壤電阻率地區(qū)及城區(qū)地網(wǎng)安全性的重要措施。 2)增加垂直接地極能有效地降低發(fā)變電站接地系統(tǒng)的接地電阻,但在有限面積的接地網(wǎng)上布置過(guò)多的垂直接地極時(shí),降阻效果將趨于飽和。 3)增設(shè)垂直接地極對(duì)于降低接觸電壓和跨步電壓具有非常顯著的作用,一是垂直極的引入,降低了地電位升(GPR),而接觸及跨步電壓均與GPR有著直接的關(guān)系。二是因?yàn)樵鲈O(shè)垂直極后,大部分故障電流通過(guò)垂直極流入大地,相應(yīng)減少了水平導(dǎo)體的散流量,因此地表面的水平方向電流密度大大減少,造成水平方向電場(chǎng)強(qiáng)度大大降低。 4)垂直接地極能有效減小季節(jié)因素對(duì)地網(wǎng)安全性能的影響。 第 5 頁(yè) 共 5 頁(yè)